Transformateurs de distribution et de réseau à la fréquence du réseau : le premier filtre, c'est la fréquence

Cet article s'adresse aux ingénieurs alimentation, composants magnétiques et achats qui travaillent sur des transformateurs de distribution, de réseau, de puissance à la fréquence du réseau et de séparation à la fréquence du réseau. Vous cherchez peut-être un fil de bobinage pour un transformateur donné et vous vous demandez s'il faut envisager le fil à triple isolation (TIW). La conclusion d'abord : avant de passer du temps à comparer classes thermiques, systèmes de certification et diamètres de fil, appliquez un filtre rapide, celui de la « fréquence ». Les transformateurs de distribution et de réseau à la fréquence du réseau (50/60 Hz) ne sont fondamentalement pas le terrain du TIW, et le premier filtre les écarte d'emblée. L'article explique pourquoi la fréquence est le critère le plus rapide et de plus haut niveau, et reconnaît honnêtement qu'il n'existe pas de seuil chiffré unique. Toutes les valeurs des produits DAH JIN sont sans exception « selon le document d'approbation ».

1. Le premier filtre : demandez d'abord dans quel monde de fréquence vit votre transformateur

Pour décider si le TIW s'applique, séparez d'abord deux mondes de fréquence :

• Le monde de la fréquence du réseau : transformateurs de distribution, de réseau, de puissance à la fréquence du réseau et de séparation à la fréquence du réseau, fonctionnant à la fréquence du réseau de 50/60 Hz. Ils relèvent de la conception et du système de certification des transformateurs de puissance (par exemple la série IEC 60076 relative aux transformateurs de puissance, selon la conception).
• Le monde de la haute fréquence : transformateurs de séparation haute fréquence des alimentations à découpage (SMPS), fonctionnant de quelques dizaines à quelques centaines de kHz. Le système de document d'approbation du TIW (UL 2353, IEC 62368-1 Annex J pour la séparation de sécurité des équipements des technologies de l'information et audio/vidéo ; le domaine médical selon le document d'approbation) a été évalué précisément pour ce monde.

Pourquoi la « fréquence » vient-elle en premier ? Parce que dès que la fréquence se situe à celle du réseau, la forme du conducteur de bobinage, la méthode d'isolation et l'exigence d'encombrement basculent en bloc vers un autre système, et l'intérêt du TIW ne tient tout simplement plus. Il devient alors inutile de poursuivre la comparaison des classes thermiques, des systèmes de certification ou des diamètres de fil : le premier filtre a déjà donné la réponse. En plaçant d'abord le critère de haut niveau qui tranche net, les comparaisons de détail qui suivent ne seront pas du travail perdu.

2. À la fréquence du réseau, le bobinage repose sur la distance plus l'huile/le papier, pas sur l'isolation renforcée d'un seul fil

Les bobinages des transformateurs de distribution et de réseau à la fréquence du réseau sont des conducteurs de grande section : fil émaillé (enamel-coated magnet wire) rond ou rectangulaire, feuillard et bande de cuivre (sheet/strip winding), et, sur les grosses unités, souvent du CTC (continuously transposed conductor, conducteur transposé en continu, constitué de nombreux brins de cuivre émaillés rectangulaires assemblés par transposition). Le côté basse tension, à fort courant, utilise souvent du feuillard ou de la bande de cuivre de grande surface ; le côté haute tension utilise un fil émaillé plus fin.

Leur isolation primaire/secondaire repose sur la distance plus un diélectrique, et non sur l'isolation renforcée d'un seul fil : papier imprégné d'huile, carton presspahn (pressboard), distances entre spires et entre couches, et propriétés diélectriques de l'huile elle-même. Le milieu huile permet de réduire fortement les lignes de fuite et les distances d'isolement nécessaires par rapport à l'air, et c'est précisément ce qui permet aux transformateurs de puissance immergés dans l'huile de réaliser la séparation haute tension dans un volume raisonnable.

Comparez avec l'intérêt du TIW : réaliser avec un seul fil la séparation renforcée (Reinforced) entre primaire et secondaire, supprimer le ruban de séparation et la ligne de fuite, et réduire encore les petits transformateurs haute fréquence. Sur un bobinage de grande section à la fréquence du réseau, ce besoin n'existe tout simplement pas. Les transformateurs à la fréquence du réseau ont bien sûr une séparation primaire/secondaire, mais ils l'obtiennent par la distance plus l'huile/le papier, et non par la voie TIW de la « séparation renforcée par un seul fil ». Pour la différence de positionnement entre le TIW et le fil émaillé utilisé dans les bobinages à la fréquence du réseau, voir Comment distinguer TIW, FIW et fil émaillé.

3. Le terrain du TIW est de l'autre côté : haute fréquence, petite taille, séparation renforcée par un seul fil

Le TIW est, par nature, un seul fil émaillé relativement fin, auquel s'ajoutent trois couches d'isolation. Son usage consiste, dans les petits transformateurs de séparation haute fréquence des alimentations à découpage, à réaliser avec un seul fil la séparation renforcée entre primaire et secondaire, en supprimant le ruban de séparation et la ligne de fuite, pour rendre le transformateur plus petit et plus plat.

Cet intérêt repose sur la prémisse de la « haute fréquence ». Une alimentation à découpage convertit d'abord le réseau 50/60 Hz en courant alternatif haute fréquence de quelques dizaines à quelques centaines de kHz, puis le couple à travers le transformateur ; plus la fréquence monte, plus le volume du transformateur peut diminuer, et le TIW compresse ensuite la structure de séparation pour faire baisser encore le volume. Les normes qui l'évaluent (UL 2353, IEC 62368-1 Annex J), les objets évalués (petits transformateurs de séparation haute fréquence) et la valeur qu'il apporte (miniaturisation plus séparation renforcée par un seul fil) sont trois aspects qui ne correspondent sur aucun point aux transformateurs de puissance à la fréquence du réseau. Autrement dit, le terrain de jeu du TIW est le transformateur de séparation à découpage haute fréquence, et non le transformateur de distribution ou de réseau à la fréquence du réseau.

4. Tableau comparatif : distribution/réseau à la fréquence du réseau vs découpage haute fréquence (terrain du TIW)

• Fréquence — Transformateur de distribution/de réseau à la fréquence du réseau：Fréquence du réseau 50/60 Hz (basse fréquence)；Transformateur de séparation d'une alimentation à découpage haute fréquence (terrain du TIW)：De quelques dizaines à quelques centaines de kHz
• Conducteur de bobinage — Transformateur de distribution/de réseau à la fréquence du réseau：Grande section : fil émaillé rectangulaire/rond, feuillard/bande de cuivre, CTC；Transformateur de séparation d'une alimentation à découpage haute fréquence (terrain du TIW)：Un seul fil émaillé relativement fin (TIW, diamètre selon le document d'approbation)
• Méthode d'isolation primaire/secondaire — Transformateur de distribution/de réseau à la fréquence du réseau：Papier imprégné d'huile, carton presspahn, distance plus milieu huile；Transformateur de séparation d'une alimentation à découpage haute fréquence (terrain du TIW)：Isolation renforcée à trois couches sur un seul fil, sans ruban de séparation, sans ligne de fuite
• Exigence d'encombrement — Transformateur de distribution/de réseau à la fréquence du réseau：Gros et lourd par nature, pas de miniaturisation par fil fin；Transformateur de séparation d'une alimentation à découpage haute fréquence (terrain du TIW)：Haute fréquence plus TIW pour réduire encore le petit transformateur
• Système de certification — Transformateur de distribution/de réseau à la fréquence du réseau：Système des transformateurs de puissance (série IEC 60076, selon la conception)；Transformateur de séparation d'une alimentation à découpage haute fréquence (terrain du TIW)：UL 2353 / IEC 62368-1 Annex J (domaine médical selon le document d'approbation)
• Résultat du premier filtre — Transformateur de distribution/de réseau à la fréquence du réseau：Fréquence du réseau = éliminé, inutile de comparer classe thermique/diamètre；Transformateur de séparation d'une alimentation à découpage haute fréquence (terrain du TIW)：Entre sur le terrain du TIW, les détails restent selon le document d'approbation

5. Comment utiliser le premier filtre (critères pour le commercial et l'ingénierie)

Déclinez ce filtre en deux étapes :

• Étape 1 : demandez la fréquence : votre transformateur est-il un transformateur de distribution, de réseau, de puissance ou de séparation à la fréquence du réseau (50/60 Hz) ? Si oui, le TIW ne s'applique pas, le premier filtre s'arrête ici, et il est inutile de poursuivre la comparaison des classes thermiques ou des diamètres de fil.
• Étape 2 : s'il s'agit de haute fréquence : ce n'est que s'il s'agit d'un petit transformateur de séparation haute fréquence (à partir de quelques dizaines de kHz) d'une alimentation à découpage qu'il entre sur le terrain du TIW ; on passe alors à la sélection et à la définition selon le document d'approbation (classe thermique, plage de diamètres, etc., voir le guide de sélection). Pour l'arbre de décision global « mon produit a-t-il vraiment besoin de TIW ? », voir Votre produit a-t-il besoin de TIW ?.

Réserve honnête : il n'existe aucun chiffre unique, mondialement harmonisé, du type « en dessous de X kHz, systématiquement exclu » qui puisse être cité comme source primaire. La frontière fiable est qualitative : transformateurs de puissance à la fréquence du réseau/basse fréquence, face aux transformateurs de séparation à découpage haute fréquence (quelques dizaines à quelques centaines de kHz), le terrain du TIW étant du côté de ces derniers. Un indice indirect : les normes de sécurité consacrent un document de coordination de l'isolement spécifique aux contraintes de tension haute fréquence (IEC 60664-4, applicable aux fréquences fondamentales supérieures à 30 kHz), tandis qu'en dessous de cette bande seule la valeur efficace de la tension compte et le problème est relativement simple, ce qui montre aussi que « dès que la fréquence change, toute la question de l'isolation change de système ». DAH JIN est un fabricant (usine en propre à Guiren, Tainan, Taïwan) ; le document d'approbation définit le type et la plage de diamètres, et vis-à-vis de l'extérieur, c'est sans exception le document d'approbation qui fait foi.